L'effetto delle frazioni di plastica dei rifiuti di costruzione e demolizione sulle proprietà composite wood-Polymer

Summary

È stato dimostrato che i flussi di materiale secondario includono potenziali materie prime per la produzione. Presentato qui è un protocollo in cui vengono identificati i rifiuti di plastica CDW come materia prima, seguiti da varie fasi di lavorazione (agglomerazione, estrusione). Di conseguenza, è stato prodotto un materiale composito e sono state analizzate le proprietà meccaniche.

Abstract

I rifiuti da costruzione e demolizione (CDW), compresi i materiali preziosi come la plastica, hanno una notevole influenza sul settore dei rifiuti. Affinché i materiali plastici possano essere nuovamente utilizzati, devono essere identificati e separati in base alla loro composizione polimerica. In questo studio, l’identificazione di questi materiali è stata eseguita utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR), che ha identificato il materiale in base alle loro proprietà fisico-chimiche. I vantaggi del metodo NIR sono un basso impatto ambientale e una misurazione rapida (entro pochi secondi) nell’intervallo spettrale di 1600-2400 nm senza una speciale preparazione del campione. Le limitazioni includono la sua incapacità di analizzare i materiali scuri. I polimeri identificati sono stati utilizzati come componente per il composito del polimero di legno (WPC) costituito da una matrice polimerica, riempitivi a basso costo e additivi. I componenti sono stati prima composti con un apparato di agglomerazione, seguito dalla produzione da estrusione. Nel processo di agglomerazione, l’obiettivo era quello di composto tutti i materiali per produrre materiali distribuiti uniformemente e granulati come pellet. Durante il processo di agglomerazione, il polimero (matrice) è stato fuso e riempitivi e altri additivi sono stati poi mescolati nel polimero fuso, essendo pronti per il processo di estrusione. Nel metodo di estrusione, le forze di calore e taglio sono state applicate a un materiale all’interno della canna di un estrusore di tipo a doppia vite conica, che riduce il rischio di bruciare i materiali e la miscelazione di taglio inferiore. La miscela riscaldata e tosata è stata poi trasmessa attraverso un da dito per dare al prodotto la forma desiderata. Il protocollo sopra descritto ha dimostrato il potenziale di ri-utilizzo dei materiali CDW. Le proprietà funzionali devono essere verificate in base ai test standardizzati, come i test di flessione, tensione e resistenza all’impatto del materiale.

Introduction

La produzione globale di rifiuti è cresciuta in modo significativo nel corso della storia e si prevede che aumenterà di decine di percentuali in futuro, a meno che non si zioni^{un’azione 1}. In particolare, i paesi ad alto reddito hanno generato più di un terzo dei rifiuti mondiali, sebbene essi rappresentano solo il 16% della popolazione mondiale¹. Il settore delle costruzioni è un produttore significativo di questi rifiuti a causa della rapida urbanizzazione e della crescita della popolazione. Secondo le stime, circa un terzo dei rifiuti solidi globali è costituito da progetti di costruzione e demolizione; tuttavia, i valori esatti provenienti da aree diverse sono^{mancanti 2}. Nell’Unione europea (UE), la quantità di rifiuti da costruzione e demolizione (CDW) è di circa il 25%-30% della produzione totale di^{rifiuti 3}e comprende materie prime secondarie preziose e significative, come la plastica. Senza la raccolta e la gestione organizzate, la plastica può contaminare e influenzare negativamente gli ecosistemi. Nel 2016 sono state generate 242 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica nel mondo¹. La quota di plastica riciclata in Europa era solo del 31,1%⁴.

La scarsità di risorse ha creato la necessità di cambiare le pratiche verso un’economia circolare, in cui gli obiettivi sono di utilizzare i rifiuti come fonte di risorse secondarie e recuperare i rifiuti per il riutilizzo. La crescita economica e l’impatto ambientale minimizzato saranno creati dall’economia circolare, che è un concetto popolare in Europa. La Commissione europea ha adottato un piano d’azione dell’Unione europea per un’economia circolare, che ha fissato obiettivi e indicatori per i^{contributi 5}.

Norme e leggi ambientali più severe stanno contribuendo al settore delle costruzioni che si sta ade utilizzando maggiori sforzi nella gestione dei rifiuti e nelle questioni relative al riciclaggio dei materiali. Ad esempio, l’Unione europea (UE) ha fissato obiettivi per il recupero dei materiali. A partire dal 2020, il tasso di recupero materiale di CDW non pericolosi dovrebbe essere del 70%⁶. La composizione della CDW può variare ampiamente da una posizione geografica all’altra, ma è possibile identificare alcune caratteristiche comuni, tra cui, ad esempio, la plastica che è una materia prima potenziale e preziosa per i compositi del polimero di legno. Il riutilizzo della plastica è un passo concreto verso un’economia circolare in cui i polimeri in plastica vergine vengono sostituiti da polimeri riciclati.

I materiali compositi sono un sistema multi-fase, costituito da un materiale a matrice e da una fase di rinforzo. Il composito polimero di legno (WPC) contiene tipicamente polimeri come matrice, materiali legnosi come rinforzo e additivi per migliorare l’adesione, come agenti di accoppiamento e lubrificanti. Il WPC può essere conosciuto come un materiale rispettoso dell’ambiente perché la materia prima può essere fonte da materiali rinnovabili, come l’acido polilattico (PLA) e il legno. Secondo l’ultima innovazione⁷, gli additivi di WPC possono essere basati su fonti rinnovabili. Inoltre, la fonte della materia prima può essere riciclata (non vergine), che è un’alternativa ecologicamente e tecnicamente superiore⁸. Ad esempio, i ricercatori hanno studiato il WPC estruso che contiene CDW e hanno scoperto che le proprietà dei compositi basati su CDW erano a un livello^{accettabile 9}. Anche l’utilizzo di materie prime riciclate come componente per il WPC è accettabile dal punto di vista ambientale, come dimostrato da diverse valutazioni. Nel complesso, è stato dimostrato che l’utilizzo di CDW nella produzione di WPC può diminuire le influenze ambientali della gestione CDW¹⁰. Inoltre, è stato scoperto che l’utilizzo di plastica riciclata in polipropilene (PP) in WPC ha il potenziale per ridurre il riscaldamento globale¹¹.

La quantità di polimeri riciclati disponibili aumenterà in futuro. La produzione globale di plastica è aumentata in media di circa il 9% rispetto all’anno, e si prevede che questo incremento continuerà nei^{prossimi 12}. I tipi di polimero plastico più generali sono, tra l’altro, il polipropilene (PP) e il polietilene (PE). Le quote della domanda totale di PE e PP sono state rispettivamente del 29,8% e del 19,3%, in Europa nel 2017⁴. Il mercato globale del riciclo della plastica dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuo del 5,6% nel periodo 2018-2026¹³. Una delle principali applicazioni in cui viene utilizzata la plastica è la costruzione e la costruzione. Ad esempio, quasi il 20% della domanda totale di plastica europea è stata associata alle applicazioni edilizie e edilizie⁴. Da un punto di vista economico, l’uso di polimeri riciclati nella produzione WPC è un’alternativa interessante, che porta alla produzione di materiali a basso costo. Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli effetti fisici hanno un’influenza più forte sui materiali estrusi realizzati in plastica secondaria rispetto al materiale vergine corrispondente, ma le proprietà dipendono dalla fonte plastica¹⁴. Tuttavia, l’uso di plastica riciclata diminuisce la forza di WPC a causa della minore compatibilità¹⁵. La variazione tra le strutture dei polimeri plastici causa preoccupazioni per il riuso e il riciclaggio, che contribuiscono all’importanza dello smistamento della plastica basato sul polimero.

Questo studio intende valutare l’utilizzo del materiale plastico da CDW come materia prima per WPC. Le frazioni polimere valutate nello studio sono acrilonitrile butadiene styrene (ABS), polipropilene (PP) e polietilene (PE). Queste sono note come frazioni di plastica universali all’interno di CDW. Le frazioni polimere sono trattate con processi di produzione generali, come l’agglomerazione e l’estrusione, e vengono testate con test di proprietà meccanica universali. L’obiettivo primario dello studio è quello di scoprire come le proprietà del WPC cambierebbe se i polimeri riciclati fossero utilizzati come materia prima in matrice invece che come polimeri vergini primari.

Sulla base del centro di gestione dei rifiuti (locale) (Etel-Karjalan J’tihuolto Oy), è stato mostrato come viene immagazzinato cdW ricco di plastica. È stato dimostrato che è inclusa una grande quantità di materiale plastico e sono stati mostrati alcuni esempi di polimeri plastici CDW. I ricercatori hanno raccolto i polimeri più adatti per un’ulteriore elaborazione, come ABS, PP e PE. I polimeri desiderati (PE, PP, ABS) sono stati identificati mediante spettroscopia portatile vicino all’infrarosso (NIR). Sono stati presentati esempi di prodotti WPC in cui i materiali plastici raccolti potevano essere utilizzati come materia prima. La definizione del composito e i suoi vantaggi sono stati spiegati.

Protocol

1. Identificazione e pre-trattamento Identificare i polimeri in plastica con lo strumento di spettroscopia portatile a quasi infrarosso (NIR) nella gamma spettrale di 1600-2400 nm. Contattare il polimero con lo strumento spettroscopia e determinare il polimero mediante la riflettanza misurata. In base alla curva di identificazione della spettroscopia, analizzare i risultati dell’identificazione dallo schermo in laboratorio. In base al risultato dell’identificazione, ordinare i mat…

Representative Results

Per studiare l’effetto del polimero plastico CDW sulle proprietà meccaniche del WPC, sono stati studiati tre diversi tipi di polimeri come matrice. La tabella 1 presenta la composizione dei materiali e la tabella 2 riporta i processi di produzione. Il materiale di CDW-PP richiede una temperatura di trattamento più elevata per gli utensili, ma, di conseguenza, la pressione di fusione era inferiore rispetto agli altri materiali (CDW-ABS e CDW-PE). <strong clas…

Discussion

Le proprietà meccaniche di WPC svolgono un ruolo importante nel decidere l’idoneità di questi prodotti in varie applicazioni. WPC è costituito da tre ingredienti principali: plastica, legno e additivi. Le proprietà meccaniche dei compositi a base di fibre dipendono dalla lunghezza della fibra utilizzata, dove “lunghezza critica della fibra” è il termine utilizzato per indicare un rinforzo^{sufficiente 25}. Oltre alle proprietà degli ingredienti, la qualità delle materie prime è il fattore imp…

Materials

Agglomeration	Plasmec	TRL100/FV/W	apparatus of turbomixer
Agglomeration	Plasmec	RFV 200	apparatus of cooler
CNC router	Recontech	F2 – 1325 C	CNC machine
Condition chamber	Memmert	HPP260	constant climate chamber
Coupling agent	DuPont	Fusabond E226	commercial coupling agent additive
Crusher 1 (crusher/shredder )	Untha	Untha LR 630	10-20 mm sieve
Crusher 2 (low-speed crusher)	Shini	Shini SG-1635N-CE	5 mm sieve, granulator
Extruder	Weber	Weber CE 7.2	conical counter-rotating twin-screw
Lubricant	Struktol	TPW 113	commercial lubricant additive
NIR spectroscopy	Thermo Fisher Scientific	Thermo Scientific microPHAZIR PC
Recycled material ABS from CDW
Recycled material PE from CDW
Recycled material PP from CDW
Sliding table saw	Altendorf	F-90	circular saw/sliding table saw
Testing apparatus	Zwick	5102	impact tester
Testing machine	Zwick Roell	Z020	allround-line materials testing machine
Wood flour (Spruce) material
WPC example material	UPM Profi		Decking board